Способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению термостабильных редкоземельных магнитов. Магниты могут использоваться в системах автоматики, промышленном оборудовании, автомобилях. Осуществляют выплавку базового сплава на основе интерметаллического соединения Nd₂Fe₁₄B и сплава-добавки. В качестве сплава-добавки используют сплав следующего химического состава: P3M_z(Co_1-yCu_y), где РЗМ - один или несколько элементов из группы: Tb, Dy, Но, z=1-4; y=0.2-0.8. Оба сплава подвергают гидридному диспергированию. Гидридное диспергирование сплава-добавки осуществляют в интервале температур 500-700°С. Далее порошки обоих сплавов смешивают и подвергают тонкому помолу с последующим прессованием в магнитном поле. Прессовки спекают и термически обрабатывают, причем при нагреве перед спеканием в вакууме осуществляют выдержку при температуре 900-1000°С в течение 1-2 ч. Полученные магниты обладают высокими магнитными свойствами. 4 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к изготовлению редкоземельных постоянных магнитов.

Известен способ изготовления редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки сплава с последующим его измельчением, прессования полученного порошка в магнитном поле, спекания и термическую обработку, включающую в себя выдержку при температуре 900°С (2 ч), с последующим медленным охлаждением со скоростью (1-2)°С/мин до температуры 500°С, выдержку при этой температуре в течение 1 часа с последующей закалкой (Глебов В.А., Лукин А.А. Нанокристаллические редкоземельные магнитотвердые материалы. М., ФГУП ВНИИНМ. 2007. С. 179).

Известен способ изготовления редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки сплава с последующим его измельчением путем гидридного диспергирования, прессования полученного порошка в магнитном поле, спекания и термическую обработку (Патент РФ 1457277 B22F 1/00, 3/02, 3/12, H01F 1/08. 04.06.86.).

Известен способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки сплава с последующим его измельчением, прессования полученного порошка в магнитном поле, спекания и термическую обработку, включающую в себя выдержку при температуре 900°С (2 ч) с последующей закалкой (Патент РФ №2368969 Н01F 1/057).

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки сплава, получения порошка, с последующим его прессованием в магнитном поле, спекания прессовок и термическую обработку, при этом перед операцией прессования порошка в магнитном поле, дополнительно проводят операции предварительного компактирования, предспекания при температуре на 30-100°С ниже температуры спекания, с последующим помолом заготовки после предспекания совместно с гидридом РЗМ (РЗМ редкоземельный элемент или их смесь) в количестве (0.5-2) масс.%. (Патент РФ №2493628 H01F 1/057). Недостатком способа являются относительно невысокие свойства при заданном обратимом температурном коэффициенте магнитной индукции.

Техническим результатом изобретения является увеличение магнитных свойств (индукции B_r, коэрцитивной силы по намагниченности _jH_c и параметра прямоугольности петли гистерезиса H_k - поле, которое на кривой размагничивания соответствует 0.9 B_r) при сохранении обратимого температурного коэффициенте магнитной индукции (ТКИ) (α (B_r)), в интервале температур -60 -+100°С.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе изготовления термостабильных редкоземельных магнитов, включающем операции выплавки базового сплава и сплава-добавки, получения порошков обоих сплавов с использованием гидридного диспергирования, с последующим их смешением и прессованием в магнитном поле, спекания прессовок и термическую обработку, гидридное диспергирование сплава-добавки осуществляют при температуре 500-700°С, при нагреве в вакууме пресс-заготовок перед спеканием осуществляют выдержку при температуре 900-1000°С в течение 1-2 ч, при этом в качестве сплава-добавки используют сплав следующего химического состава (ат. %): P3M_z(Co_1-yCu_y), где РЗМ - один или несколько элементов из группы: Tb, Dy, Но, z=1-4; y=0.2-0.8.

Установлено с помощью растровой (РЭМ) и просвечивающей (ПРЭМ) электронной микроскопии, локального (разрешение 1 мкм) рентгеноспектрального анализа и локального (разрешение 1 нм) томографического зонда (LEAP), что магниты, полученные в соответствии с предложенным способом, имеют наногетерогенное (дисперность составляла 5-50 нм) распределение редкоземельных элементов в основной магнитной фазе типа PЗM₂Fe₁₄B. Немагнитные граничные фазы толщиной несколько нанометров, обогащенные РЗМ, содержащие также кобальт и медь, хорошо разделяют зерна основной магнитной фазе типа PЗM₂Fe₁₄B. Такая структура магнитов на основе сплавов типа РЗМ-Fe-B обусловливает высокие магнитные свойства ((ВН)_max, B_r, _jH_c, H_k) при сохранении обратимого температурного коэффициента магнитной индукции {α (B_r)} на уровне -0.04%/°С.

Примеры реализации способа

Базовые сплавы и сплавы-добавки получают из исходных компонентов (РЗМ: Tb, Dy, Но, Nd, Pr; Fe, Со, Cu, Al, В) или их лигатур путем плавления в вакуумной индукционной печи в среде инертного газа (особо чистого аргона) с последующей закалкой в водоохлаждаемую изложницу. Контроль химического состава осуществляют с помощью эмиссионно-спектрального метода. Гидридное диспергирование (ГД) базовых сплавов и сплавов-добавок осуществляют в протоке сухого водорода в течение нескольких часов при температуре 200-400°С для базовых сплавов и 480-720°С с последующей пассивацией в среде газообразного азота. После охлаждения до комнатной температуры полученные порошки базового сплава и сплава-добавки подвергают тонкому помолу в вибрационной мельнице в среде изопропилового спирта в течение 50 мин до среднего размера частиц 3-4 мкм. После прессования и предварительного спекания базового сплава в интервале температур 1000-1040°С спеченные заготовки базового сплава подвергают ГД, смешивают с порошками сплава-добавки после ГД (на 95.0-98.5 массовых долей базового сплава приходилось 1.5-5.0 масс. % сплава-добавки) и подвергают совместному тонкому помолу в вибрационной мельнице в среде изопропилового спирта в течение 50 минут кс до среднего размера частиц 3-4 мкм. После повторного прессования в магнитном поле и окончательного спекания при Т = 1100°С (2 ч) с последующей обработкой по режиму: 900°С (2 ч) охлаждение со скоростью (0.01-0.03)°С/с + 500°С (2 ч)+закалка (в протоке газообразного азота). После механической шлифовки алмазным инструментом и намагничивания до насыщения образцы измеряют на гистериографе в замкнутой магнитной цепи в полях до 30 кЭ при комнатной температуре. После магнитных измерений для проведения структурных исследований образцы термически размагничивают в вакууме при 500°С, для восстановления исходного состояния.

В таблице 1 приведены свойства магнитов с выдержкой перед спеканием при температуре 950°С (1 ч) при различных режимах ГД сплава-добавки (Tb₃Co_0.6Cu_0.4, 3 масс. %). Как следует из таблицы 1, оптимальным является интервал температур 500-700°С. При более низких температурах не происходит полное разложение сплава-добавки, что приводит затруднению процесса тонкого помола и снижению магнитных свойств. При температурах выше 700°С происходит подплавление сплава добавки, что также негативно сказывается на уровне магнитных свойств магнитов.

В таблице 2 приведены свойства магнитов при ГД при Т = 600°С при содержании сплава-добавки Tb₃Co_0.6Cu_0.4 3 масс. % при различных параметрах выдержки перед спеканием. Как видно из таблицы 2, оптимальными являются интервал температур 900-1000°С в течение 1-2 ч. При температурах и времени выдержки ниже, соответственно, 900°С и 1 ч не успевают пройти процессы выделения водорода из сплава-добавки и диффузии редкоземельных элементов в основную магнитотвердую фазу типа PЗM₂Fe₁₄B. При температурах и времени выдержки выше, соответственно, 1000°С и 2 ч, отмеченные выше процессы проходят слишком интенсивно, что может приводить к неоднородности магнитов и разрушению прессовок в процессе последующего спекания.

В таблице 3 приведены свойства магнитов с различным химическим составом и количеством (масс. %) сплава-добавки при ее ГД при Т = 600°С и при выдержке прессовок перед спеканием по режимам: 950°С, 1.5 ч: {Tb₃(Со_1-yCu_y), y=0.0, 0.1, 0.2*, 0.5*, 0.8*, 1.0; Tb_z(Co_0.6Cu_0.4), z=0.5, 1.0*, 2.0*, 3.0*, 4.0*, 4.5}. Как видно из таблицы 3, экспериментальные данные подтверждают правильность заявленного выбора количества и химического состава сплава-добавки.

В таблице 4 приведены свойства магнитов с одинаковым результирующим химическим составом {(Nd_0.2Pr_0.5Tb_0.3}₁₅(Fe_0.75Co_0.25)₇₇Al_0.7Cu_0.3B₇, ат. %} при использовании (или отсутствии) различных по химическому составу сплавов-добавок при их ГД при Т = 600°С и при выдержке прессовок перед спеканием по режимам: 950°С, 1.5 ч (Tb₃(Со_0.6Cu_0.4) - предложено в данной заявке, TbH₂ - предложено в прототипе, а также при отсутствии сплава-добавки). При этом результирующий химический состав магнитов был одинаковым. Как видно из таблицы 4, магниты с использованием предложенного сплава-добавки обладают более высокими магнитными свойствами.

Предложенный способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов позволяет реализовать более высокие магнитные свойства, такие как (ВН)_max, B_r, _jH_c, H_k при сохранении обратимого температурного коэффициента магнитной индукции α (B_r), обусловливающего повышенную температурную стабильность.

Применение предложенного способа позволяет повысить точность и стабильность работы навигационного оборудования и систем авиационной автоматики.

Примечание. В таблицах 1-4 примеры, помеченные звездочкой (*), соответствуют параметрам, изложенным в формуле изобретения.

Способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки базового сплава и сплава-добавки, получения порошков обоих сплавов с использованием гидридного диспергирования с последующим их смешением и прессованием в магнитном поле, спекания прессовок и термическую обработку, отличающийся тем, что гидридное диспергирование сплава-добавки осуществляют при температуре 500-700°С, при нагреве в вакууме пресс-заготовок перед спеканием осуществляют выдержку при температуре 900-1000°С в течение 1-2 ч, при этом в качестве сплава-добавки используют сплав следующего химического состава: PЗM_z(Co_1-yCu_y), где РЗМ - один или несколько элементов из группы: Tb, Dy, Но, z=1-4; y=0.2-0.8.